DE19607063A1

DE19607063A1 - Internal combustion engine with alternating compression ratios

Info

Publication number: DE19607063A1
Application number: DE1996107063
Authority: DE
Inventors: Brigitte Dr Heckl-Oestreicher
Original assignee: HECKL OESTREICHER BRIGITTE DR; OESTREICHER ROLAND DR
Current assignee: HECKL OESTREICHER BRIGITTE DR; OESTREICHER ROLAND DR
Priority date: 1996-02-24
Filing date: 1996-02-24
Publication date: 1997-08-28

Abstract

The engine has a cylinder housing in which two pistons are arranged, and between whose end surfaces the combustion process occurs. The linear strokes of the pistons are transmitted by connecting rods to two rotating crankshafts, which are coupled by gearing. The crankshafts can rotate in the same or opposite directions, and the engine can be operated on a two- or four-stroke cycle, and can have more than one cylinder. The engine can be adapted to run on all conceivable fuels, and to drive vehicles, generators or other machinery. The gearing is such that both crankshafts rotate at different angular speeds, whose ratio is 2 to 1.

Description

Definitions of terms

Verbrennungsraum: Der Raum, in dem das Kraftstoff-Gemisch verbrannt wird. Als Folge der Kolbenbewegung variiert dieses Volumen im Laufe eines Arbeits-Zyklus′. Daher weicht diese Definition von der eher üblichen Definition ab, bei der unter Verbrennungsraum das Minimum dieses Volumens verstanden wird.Combustion chamber: The room in which the fuel mixture is burned. This varies as a result of the piston movement Volume in the course of a working cycle ′. Therefore this gives way Definition from the more usual definition, under Combustion chamber the minimum of this volume is understood.

Aktuelle Verdichtung: Verhältnis zwischen obigem Maximalwert des Verbrennungsraumes und dem aktuellen Volumen, welches von der jeweiligen Arbeits-Phase abhängt.Current compression: ratio between the above maximum value of the combustion chamber and the current volume, which of depends on the respective work phase.

Verdichtungsverlauf: Die oben definierte aktuelle Verdichtung in Abhängigkeit der Arbeits-Phase ergibt den Verdichtungsver lauf.Compression history: The current compression defined above depending on the work phase gives the compression ratio run.

Verdichtungsverhältnis: Maximal erreichbarer Wert des oben definierten Verdichtungsverlaufs.Compression ratio: maximum achievable value of the above defined compression course.

Arbeitsdruck: Aktueller Gasüberdruck im Verbrennungsraum. Dieser Gasdruck beinhaltet insbesondere auch den Druck, der durch die Verbrennung des Kraftstoff-Gemisches entsteht.Working pressure: Current gas pressure in the combustion chamber. This gas pressure also includes the pressure, in particular caused by the combustion of the fuel mixture.

Hubraum: Dieses Wort wird absichtlich vermieden, da der Raum, den die Kolben durch ihren Hub definieren, im allgemeinen nicht mehr die Variation des oben definierten Verbrennungs raumes darstellt (siehe dazu Ausführungsbeispiel 2). Insbe sondere ist daher auch der Hubraum im allgemeinen nicht mehr die relevante Größe zur Berechnung des Verdichtungsverhält nisses. Cubic capacity: This word is intentionally avoided because the space, which the pistons define by their stroke, in general no longer the variation of the combustion defined above represents space (see embodiment 2). In particular special is therefore no longer the displacement in general the relevant size for calculating the compression ratio nisses.

Grundversion: Motor mit zwei Kolben in einem Zylinder ent sprechend Zeichnung Nr. 2. Die Kurbelwellen haben dabei die gleiche Drehzahl. Eine Phasendifferenz in den Rotationsphasen der Kurbelwellen ist nicht vorhanden.Basic version: engine with two pistons in one cylinder speaking drawing No. 2. The crankshafts have the same speed. A phase difference in the rotation phases the crankshaft is not present.

Herkömmlicher Motor: Motor, der nur einen Kolben pro Zylinder hat. Der Zylinder ist einseitig mit einem Zylinderkopf abge schlossen.Conventional engine: engine that only has one piston per cylinder Has. The cylinder is abge on one side with a cylinder head closed.

State of the art

Hauptsächlich werden Verbrennungsmotoren eingesetzt, bei denen nur jeweils ein Kolben pro Zylinder eine lineare Hubbewegung durchführt. Diese Hubbewegung wird mittels einer Pleuelstange auf eine rotierende Kurbelwelle übertragen. Der Zylinder ist dabei einseitig auf der der Kurbelwelle gegen überliegenden Seite mit einem Zylinderkopf abgeschlossen. Im folgenden wird ein solcher Motor "herkömmlicher Motor" ge nannt. Verbrennungsmotoren, bei denen zwei Kolben in einem Zylinder arbeiten, sind nicht im Einsatz. Bei solchen Motoren werden die Hubbewegungen der beiden Kolben über zwei Pleuel stangen auf zwei rotierende Kurbelwellen übertragen. Die beiden Kurbelwellen sind durch ein zusammenführendes Getriebe untereinander gekoppelt. Solche Motoren werden vermutlich deshalb nicht eingesetzt, weil sie wesentlich komplexer sind und in der Version, die dem Stand der Technik entspricht (im folgenden Grundversion genannt), keine Vorteile erkennen lassen gegenüber den Motoren, die nur einen Kolben pro Zylinder haben. Diese Grundversion ist in der Zeichnung Nr. 2 skizziert. Der Verbrennungsraum befindet sich zwischen den beiden Kolben. Die beiden Kurbelwellen haben in dieser Grundversion gleiche Drehzahl und rotieren in Phase, d. h. , es besteht zwischen den Rotationsphasen der beiden Kurbelwellen keine Phasendifferenz. Befindet sich eine der beiden Kurbel wellen im oberen Totpunkt, so befindet sich zur selben Zeit auch die andere in ihrem oberen Totpunkt.Internal combustion engines are mainly used for where only one piston per cylinder is linear Performs lifting movement. This lifting movement is by means of a Transfer the connecting rod to a rotating crankshaft. Of the The cylinder is on one side against the crankshaft overlying side with a cylinder head. in the the following is such a motor "conventional motor" called. Internal combustion engines where two pistons in one Working cylinders are not in use. With such engines the stroke movements of the two pistons over two connecting rods rods transferred to two rotating crankshafts. The both crankshafts are brought together by a gearbox coupled with each other. Such engines are believed to be not used because they are much more complex and in the version that corresponds to the state of the art (in following basic version), recognize no advantages compared to the engines that only have one piston per Have cylinders. This basic version is in drawing no.2 outlined. The combustion chamber is between the two pistons. The two crankshafts in this one Basic version same speed and rotate in phase, d. H. , it exists between the rotation phases of the two crankshafts no phase difference. There is one of the two cranks waves in top dead center, so there is at the same time also the other in top dead center.

problem

Das Verdichtungsverhältnis und der Verdichtungsverlauf der Grundversion in Zeichnung Nr. 2 ist identisch mit dem eines herkömmlichen Motors, was unmittelbar ersichtlich ist, wenn man sich in der Mitte des Zylinders eine Trennwand vorstellt (siehe dazu Zeichnungen Nr. 2 und 3). Diese Trennwand stellt dann für jeden der beiden Kolben einen fiktiven Zylinderkopf dar. Wie bei einem herkömmlichen Motor wird die aktuelle Verdichtung dann maximal, wenn die Kurbelwellen sich im oberen Totpunkt befinden. Dies bedeutet, daß zum Zeitpunkt des Maximums der aktuellen Verdichtung kein Drehmoment auf die Kurbelwelle ausgeübt wird. In der Grundversion ist also kein Vorteil gegenüber einem herkömmlichen Motor ersicht lich.The compression ratio and the compression curve of the Basic version in drawing No. 2 is identical to that of one conventional motor, which is immediately apparent when you imagine a partition in the middle of the cylinder (see drawings nos. 2 and 3). This partition wall then a fictitious cylinder head for each of the two pistons As with a conventional engine, the current Compression maximum when the crankshafts are in the top dead center. This means that at the time of the maximum of the current compression no torque the crankshaft is exercised. So in the basic version no advantage over a conventional motor Lich.

solution

Das Getriebe, das die beiden Kurbelwellen koppelt (zusammen führendes Getriebe) wird so ausgelegt, daß die beiden Kurbel wellen unterschiedliche Drehzahlen haben. Das Drehzahlver hältnis beträgt 2 : 1.The gearbox that couples the two crankshafts (together leading gear) is designed so that the two crank waves have different speeds. The speed ver ratio is 2: 1.

In Zeichnung Nr. 1 ist ein solcher Motor schematisch skizziert. Sie zeigt eine Draufsicht der Gesamtanordnung (B), eine stirnseitige Ansicht des zusammenführenden Getriebes (A) und eine stirnseitige Ansicht eines Schnittes durch die Zylinder-Mitte (C). Zum Vergleich ist in Zeichnung Nr. 2 die Grundversion, bei der die beiden Kurbelwellen gleiche Dreh zahl haben, in analoger Weise gezeigt. Der zusätzliche, zweite stirnseitige Schnitt (D) durch die Zylinder-Mitte dient der Illustration, wie sich die Kolben im Laufe des Arbeits-Zyklus′ im Zylinder bewegen. Die Kurbelwellen haben sich dabei von (C) nach (D) um 60° weitergedreht.Such a motor is shown schematically in drawing no outlined. It shows a top view of the overall arrangement (B), an end view of the merging gear (A) and an end view of a section through the Cylinder center (C). For comparison is in drawing no Basic version, in which the two crankshafts have the same rotation have shown in an analogous way. The additional, second frontal section (D) through the middle of the cylinder serves to illustrate how the pistons move in the course of Move the work cycle 'in the cylinder. The crankshafts have rotates 60 ° from (C) to (D).

Bemerkung: Für die Ausführungsbeispiele unten werden die Arbeitsweisen des Motors anhand von Sequenzen solcher stirn seitigen Schnitte illustriert. Um den Vergleich mit der Grundversion zu erleichtern, ist in Zeichnung Nr. 3 die Sequenz einer vollen Umdrehung der Kurbelwellen in 30° Schritten für die Grundversion gezeigt.Note: For the examples below, the Working methods of the engine based on sequences of such forehead side cuts illustrated. To compare with the To facilitate the basic version is the drawing No. 3 Sequence of a full revolution of the crankshafts in 30 ° Steps shown for the basic version.

Achieved advantages

1. Es läßt sich ein Motor mit alternierendem Verdichtungs verhältnis konzipieren. (Siehe Ausführungsbeispiel 1).1. It can be an engine with alternating compression design relationship. (See embodiment 1).

2. Es läßt sich ein Motor konzipieren, bei dem während einer Umdrehung der langsamen Kurbelwelle zwei Kompressions- und zwei Expansionsphasen auftreten. Ein zusätzlicher Vorteil besteht dabei darin, daß bei diesem Motor die Drehmoment- Übertragung auf die Kurbelwelle äußerst günstig ist. (Siehe Ausführungsbeispiel 2)2. A motor can be designed in which during a Rotation of the slow crankshaft two compression and two phases of expansion occur. An additional benefit consists in the fact that the torque Transmission to the crankshaft is extremely cheap. (Please refer Embodiment 2)

Description of exemplary embodiments

1. Motor, bei dem von Umdrehung zu Umdrehung das Verdich tungsverhältnis alternierend variiert.1. Engine in which the compression from rotation to rotation ratio varies alternately.

Die beiden Kurbelwellen des Motors bewirken einen sehr unter schiedlichen Hub für die beiden Kolben. Die Kurbelwelle, die den großen Hub bewirkt, wird im folgenden Haupt-Kurbelwelle genannt. Diese Haupt-Kurbelwelle hat die doppelte Drehzahl im Vergleich zur zweiten Kurbelwelle, die im folgenden Hilfs- Kurbelwelle genannt wird. Eine Arbeits-Sequenz, bei der die Haupt-Kurbelwelle zwei Umdrehungen in 60° Schritten ausführt, ist in Zeichnung Nr. 4 gezeigt. Eine Phasendifferenz zwischen den Kurbelwellen ist nicht vorhanden. Befindet sich die Haupt-Kurbelwelle im oberen Totpunkt, so befindet sich die Hilfs-Kurbelwelle bei jeder zweiten Umdrehung der Haupt- Kurbelwelle (nämlich bei den Rotationsphasen 0°, 720°, etc.) auch im oberen Totpunkt, was ein sehr hohes Verdichtungsver hältnis bewirkt. Bei den dazwischenliegenden Umdrehungen der Haupt-Kurbelwelle (nämlich bei den Rotationsphasen 360°, 1080°, etc.) befindet sich die Hilfs-Kurbelwelle im unteren Totpunkt, was ein entsprechend niedrigeres Verdichtungs verhältnis bewirkt.The two crankshafts of the engine cause a very under different stroke for the two pistons. The crankshaft that causes the large stroke, is in the following main crankshaft called. This main crankshaft has twice the speed in Comparison to the second crankshaft, which is described in the following Crankshaft is called. A work sequence in which the Main crankshaft makes two revolutions in 60 ° steps, is shown in drawing # 4. A phase difference between the crankshafts is not available. Is the The main crankshaft is at top dead center, so that is Auxiliary crankshaft every second revolution of the main Crankshaft (namely in the rotation phases 0 °, 720 °, etc.) also at top dead center, which is a very high compression ratio ratio causes. With the revolutions in between Main crankshaft (namely in the rotation phases 360 °, 1080 °, etc.) the auxiliary crankshaft is in the lower one Dead center, which is a correspondingly lower compression relationship causes.

Dieses Verhalten kann für Motoren benutzt werden, die nur bei jeder zweiten Umdrehung das Kraftstoff-Gemisch verbrennen (Viertakt-Prinzip). Das niedrigere Verdichtungsverhältnis wird dabei so gewählt, daß es adäquat für den Verbrennungs takt ist. Das höhere Verdichtungsverhältnis wird dabei so hoch wie technisch realisierbar gewählt, damit die Abgase möglichst vollständig aus dem Verbrennungsraum ausgepufft werden können. Das Kraftstoff-Gemisch für die nächste Ver brennung kann damit effektiv angesaugt werden und ist außer dem besonders rein von Rest-Abgasen.This behavior can be used for motors that only work with Burn the fuel mixture every second revolution (Four-stroke principle). The lower compression ratio is chosen so that it is adequate for the combustion is tact. The higher compression ratio becomes so high as technically feasible so that the exhaust gases Exhausted as completely as possible from the combustion chamber can be. The fuel mixture for the next ver combustion can be sucked in effectively and is out of order especially clean of residual exhaust gases.

2. Motor mit zwei Kompressions-Phasen während einer Umdrehung der langsam rotierenden Kurbelwelle.2. Motor with two compression phases during one revolution the slowly rotating crankshaft.

Zwischen den beiden Kurbelwellen wird eine Phasendifferenz von 90° angebracht. Dadurch befindet sich die langsame Kurbelwelle entweder 90° vor oder 90° nach ihrem oberen Totpunkt, wenn sich die schnelle Kurbelwelle im oberen Tot punkt befindet (siehe Zeichnung Nr. 5). Die Sequenz von einer Umdrehung in 30° Schritten der langsamen (rechten) Kurbel welle ist in der Zeichnung Nr. 5 gezeigt. Während einer Umdrehung der rechten Kurbelwelle treten zwei Kompressionen und zwei Expansionen auf. Im folgenden beziehen sich die Rotationsphasen auf die rechte Kurbelwelle. Das erste Minimum des Verbrennungsraumes liegt bei der Rotationsphase 78°, das zweite Minimum bei 282°. Dazwischen liegt das Haupt-Maximum des Verbrennungsraumes, nämlich bei 180°. Bei der Rotations phase 0° befindet sich ein weiteres Zwischen-Maximum des Verbrennungsraumes. Das Volumen des Verbrennungsraumes in Abhängigkeit der Rotationsphase ist in Zeichnung Nr. 6 gezeigt.There is a phase difference between the two crankshafts of 90 ° attached. This is the slow one Crankshaft either 90 ° before or 90 ° after its upper one Dead center when the fast crankshaft is at top dead center point is located (see drawing No. 5). The sequence of one Rotation in 30 ° steps of the slow (right) crank Wave is shown in drawing # 5. During one Rotation of the right crankshaft occurs two compressions and two expansions. In the following, the Rotation phases on the right crankshaft. The first minimum of the combustion chamber is in the rotation phase 78 °, that second minimum at 282 °. In between is the main maximum of the combustion chamber, namely at 180 °. With the rotation phase 0 ° there is another intermediate maximum of Combustion chamber. The volume of the combustion chamber in Dependence of the rotation phase is in drawing no.6 shown.

Damit kann ein Motor konzipiert werden, der während nur einer Umdrehung der langsamen Kurbelwelle entsprechend einem Viertakt-Motor arbeitet. Dazu wird das Kraftstoff-Gemisch zwischen dem zweiten Minimum des Verbrennungsraumes (bei 282°) und dem Zwischen-Maximum (bei 0°) angesaugt (oder eingespritzt) und unter Ausnutzung der Haupt-Expansionsphase von 78° bis 180°) verbrannt. Man beachte, daß bei der Rotationsphase mit maximaler aktueller Verdichtung (78°) die langsame Kurbelwelle deutlich außerhalb des oberen Totpunktes liegt, so daß bereits zum Zeitpunkt der maximalen aktuellen Verdichtung ein Drehmoment auf die Kurbelwelle ausgeübt wird.It can be used to design an engine that can operate during just one Revolution of the slow crankshaft corresponding to one Four-stroke engine works. This is the fuel mixture between the second minimum of the combustion chamber (at 282 °) and the intermediate maximum (at 0 °) sucked in (or injected) and taking advantage of the main expansion phase from 78 ° to 180 °) burned. Note that the Rotation phase with maximum current compression (78 °) slow crankshaft well outside of top dead center lies, so that already at the time of the maximum current Compression torque exerted on the crankshaft becomes.

BezugszeichenlisteReference list

1 Motor mit unterschiedlicher Drehzahl der Kurbelwellen im Verhältnis 2 : 1 (schematisch)
2 Grundversion (schematisch)
3 Sequenz einer Umdrehung der Grundversion in 30° Schritten
4 Sequenz eines Motors mit alternierendem Verdichtungsverhältnis
5 Sequenz eines Motors mit zwei Kompressionen und zwei Expansionen während einer Um drehung der langsamen Kurbelwelle
6 Volumen des Verbrennungsraumes in Abhängig keit der Rotationsphase der langsamen Kurbelwelle 1 engine with different crankshaft speeds in a ratio of 2: 1 (schematic)
2 basic version (schematic)
3 Sequence of one revolution of the basic version in 30 ° steps
4 Sequence of an engine with an alternating compression ratio
5 Sequence of an engine with two compressions and two expansions during one revolution of the slow crankshaft
6 Volume of the combustion chamber depending on the rotation phase of the slow crankshaft

Claims

1. General-purpose internal combustion engine in which two pistons work in one cylinder. The combustion in the engine takes place in the space that is limited by the end faces of the two pistons and the cylinder wall. The linear stroke movement of the two pistons is transmitted to two rotating crankshafts using connecting rods. The two crankshafts are coupled to each other via a merging gear. The crankshafts can rotate in the same direction as well as in opposite directions. The engine can be operated according to the four-stroke principle as well as according to the two-stroke principle. Multi-cylinder engines can be realized. Depending on the specific design, this engine can be operated with all conceivable fuels such as petrol, diesel, alcohol, all conceivable gases, as well as all other known and as yet unknown liquid, gaseous and solid fuels that can be gasified (such as wood) . This engine is suitable for general design and dimensioning (vehicles on land, water and air, drive for generators, drive for machines).
This internal combustion engine is characterized in that the merging gear causes the two crankshafts to have different speeds. The ratio of the speeds is 2: 1.

2. Internal combustion engine according to claim 1, which is characterized by that the two crankshafts with the speed ratio 2: 1 so are designed so that the two pistons differed significantly stroke. The crankshaft with the higher speed causes the larger piston stroke. The following is this Crankshaft called main crankshaft. This configu ration causes the compression ratio of one Rotation of the main crankshaft alternates to the next. Ins special can with every second revolution of the main crank shaft realized an extremely high compression ratio during the rotation in between an adequate compression ratio remains. This can e.g. B. in engines that only every second revolution the main crankshaft burn the fuel mixture (like in the four-stroke engine), that the Revolutions at which the compression ratio is adequate is, the fuel mixture is burned while at the intermediate revolutions with extremely high compression tion ratio, the fuel mixture is sucked in or the Exhaust gases are exhausted.

3. Internal combustion engine according to claim 1, which is characterized by that between the two crankshafts with respect to their rota tion phases there is a phase difference of approx. 90 °. Last one res means: is the crankshaft with the higher one Speed at its top dead center, so is the Alternating crankshaft with the lower speed which is about 90 ° before her top dead center or about 90 ° after her top dead center. In this configuration occur during a Rotation of the crankshaft with the lower speed two Compression phases and two expansion phases.